相变储能房间节能技术研究应用进展及拓展潜力

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摘要：归纳分析相变储能房间特点与构建形式，综述相变储能房间在复合相变墙体被动式太阳房、相变储能耗电地板采暖等方面节能技术的研究状况，指出了相变储能房间可再生自然能源利用的潜力及技术研究方向。

关键词：相变储能；复合技术；节能

Abstract: Inductive analysis of phase change energy storage room features and construction forms, review of energy conservation technology research status in phase change energy storage room in the composite phase change wall of passive solar house, phase change energy storage electric floor heating, pointed out that the phase change energy storage room and renewable natural energy utilization and technology research.

Key words: phase change energy storage; composite technology; energy saving

中图分类号：TU2文献标识码：A

引言

建筑围护结构作为室内外环境的分界面, 承担的功能主要有视野、采光、遮阳与隔热、保温(散热)、通风和隔声六大方面, 将相变材料融入建筑维护结构进而改进建筑围护结构形式与热性能, 是建筑节能的重要途径，成为近些年建筑节能工作的一个亮点。相变储能房间在提高房间热舒适性、减少暖通空调能耗以及调节城市电网昼夜电力峰谷差方面展示了其独特的引人关注的优势。

1.相变储能房间构建形式与特点

相变材料具有潜热蓄热密度大，蓄放热过程近似绝热，传热温差小的优点。将相变材料融入建筑维护结构就构成了相变储能房间，它可以缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，对建筑物的供暖，空调负荷起到削峰填谷的作用。相变材料与建筑材料相结合不仅可以缩小冷热源的规模，节约初投资，而且，由于电网负荷峰谷电价分计制的实行，还可以降低供暖、空调系统的运行费用。

2.典型相变储能房间节能技术

2.1 复合相变墙体被动式太阳房

将相变材料复合到现有建材中, 可以在建筑承重增加较小的条件下有效增大建筑热惯性, 减小室内温度波动, 改善房间热性能。 按照蓄能的方式可分为被动蓄能式相变建筑围护结构和主动蓄能式相变建筑围护结构。 被动蓄能式建筑围护结构主要依靠室温的变化或接受太阳辐射热流等方式吸收和释放热量。

人们分析了采用相变墙建筑适用的气候条件, 并通过数值方法模拟和评价了相变墙房间在我国不同气候地区的使用效果, 说明了相变墙建筑在我国不同地区使用的优点和局限性, 并对给定的气象条件和相变墙房间, 讨论了夏季“空调”型相变墙的优化设计方法。

2.2相变储能耗电地板采暖

2.2.1 相变储能地板直接电采暖技术

相变储能地板直接电采暖就是将晚间廉价电能转化成热能储存在相变材料中，白天的时候相变材料凝固放热提供采暖热能。冯国会等人[16]研制出了一种电采暖相变储能地板，所选相变材料为48号石蜡，设定16℃室温时，相变材料所蓄存的热量可以供白天9个小时使用，移峰填谷效率为53％，具有较好的节能效益。

2.2.2 相变储能电加热地板下送风技术

直接式电加热储能地板采暖虽然有一些优点，但是只适于昼夜均有人活动的住宅类建筑，在办公建筑中使用会有些浪费，相变储能电加热地板下送风技术在晚上的时候将廉价电能转化为热能，相变材料蓄存的热能在白天人们办公的时候释放采暖可以达到减少这种浪费的效果。

研究人员提出了一种利用定型相变材料蓄存夜间廉价电能，并能控制放热速率的地板下送风式相变储热电采暖系统，搭建了应用此系统的实验房间并进行了实验，结果表明该系统的蓄放热性能较好，白天的电热负荷全部转移到夜间低谷电价时段。

2.2.3相变储能夜间水源热泵采暖技术

夜间的廉价电能直接用来采暖，从一次能源利用系数的角度讲是很浪费的，如果将这个时期的电能驱动水源热泵制备热水，热能储存在相变材料中，白天的时候相变材料凝固放热提供采暖热能，不会存在“高能低用”的问题，由于热泵的COP比较高，这样的系统将会有比较好的节能和经济效益。

3.相变储能房间可再生自然能源利用

3.1 研究存在问题

相变储能构件热性能和配置方式的研究可以优化维护结构的热物性参数，大大增强维护结构的衰减和延迟作用，所起作用有以下几点：（1）在部分地区以及广大大地区的特定时间段，不采用或少采用采暖或空调就可以达到舒适温度；（2）使用相变墙板能使采暖设备容量选型减少约1/3-1/2；（3）在采暖和空调的过程中，结合相变储能技术就可以大大减少常规能源的消耗；（4）更进一步而言，相变储能技术与可再生自然能源的利用可以极大的降低建筑能耗甚至不用消耗常规能源。

相变储能房间可再生自然能源的利用主要包括冬季太阳能采暖和夏季夜间蓄冷两个方面，尽管都有学者进行了研究，但是存在以下问题：（1）限于市场上没有成熟的太阳能空气集热器产品，相变储能技术与太阳能热空气采暖技术在常规建筑房间中的集成与应用存在瓶颈。（2）太阳能热水采暖系统的应用趋向成熟，但是与相变储能构件在建筑中的集成应用还缺乏实际研究，且储能作用对太阳能热水采暖系统的影响以及整套系统的优化都需要进行研究。（3）夏季夜间通风蓄冷的技术手段不多也不够成熟，利用空调蓄冷的研究在国内更为少见。(4) 相变储能房间可再生自然能源利用的系统冬夏季都可以发挥作用的研究有待进行，比方相变材料在冬季太阳能采暖和夏季夜间蓄冷中都能发挥作用，或者通过材料简单替换就可以实现系统冬夏两用。

3.2 研究潜能

相变墙房间可再生能源的利用需要研究的内容很多，节能潜力巨大。笔者结合所在课题组的研究基础，提出了理想的原始系统集成方案：a.对储能式太阳能热风系统而言，墙体由普通墙部分和相变墙部分组成，相变墙部分应该是有中空结构，在墙体的外侧是太阳能空气集热装置，当相变墙体蓄热达到饱和之后，集热板下侧的盖板开启，送风口停止向蓄热墙送风，开始向房间送被加热的外部新风。b.对储能式太阳能热水系统而言，热水在外部太阳能热水集热模块与室内储能地板（或墙体）间直接循环，最大程度利用太阳热能。白天相变墙体和地板蓄热，晚上通过辐射方式，向房间散热。c.采暖季节出现阴雨天，采用夜间廉价电能或者生物质燃料锅炉采暖。d.相变墙体（或地板）在夏季可以实现夜间蓄冷或者单体空调蓄冷。

4.结论

（1）相变储能房间节能技术涵盖面广，各方面都有人进行研究，其中模拟和在小尺寸样板房上的实验研究居多，在普通商用、民用甚至工业用建筑中使用相变储能技术的研究工作应该深入。

（2）相变储能房间技术的研究一般比较单一，技术集成研究有待突破。

（3）相变墙房间可再生能源的利用技术方面的研究较为薄弱，具有极大节能和研究潜力。

[参考文献]

[1]张国强,龚光彩等.能源、环境与空调制冷.制冷学报,2000,3:1-6

[2]冒东奎.含相变材料的壁板的潜热蓄热试验[J].新能源，1998，20(4):1—5

[3]林坤平, 张寅平, 江亿. 我国不同气候地区夏季相变墙房间热性能模拟和评价. 太阳能学报, 2003, 24(1): 46—52

[4]林坤平, 张寅平, 江亿. 夏季“空调”型相变墙热设计方法. 太阳能学报, 2003, 24(2): 145—151